La Crepa nel Muro: Bobina di Tesla

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Catherine

Cenni storici

Nikola Tesla (Smiljan, 10 luglio 1856 –New York, 7 gennaio 1943) è stato un fisico, inventore e ingegnere serbo statunitense. È conosciuto soprattutto per il suo rivoluzionario lavoro e i suoi numerosi contributi nel campo dell’elettromagnetismo tra la fine dell’Ottocento e gli inizi del Novecento.

I suoi brevetti e il suo lavoro formano la base del moderno sistema elettrico a corrente alternata (CA), compresa la distribuzione elettrica polifase e i motori a corrente alternata, con i quali ha contribuito alla nascita della seconda rivoluzione industriale. I suoi ammiratori arrivano al punto da definirlo “l’uomo che inventò il Ventesimo secolo”.

Sappiamo che questo dispositivo operava emettendo elettroni da un singolo elettrodo attraverso una combinazione di emissione di campo ed emissione termoionica. Una volta liberati, gli elettroni sono respinti con forza dall’intenso campo elettrico vicino all’elettrodo durante i picchi a tensione negativa dall’uscita oscillante ad alta tensione della bobina di Tesla.

Tesla sperimentò una grande varietà di bobine e configurazioni. Le usò per condurre innovativi esperimenti sulla luce elettrica, fenomeni di corrente alternata ad alta frequenza e trasmissione di segnali e di energia elettrica senza fili ...

Introduzione teorica

La bobina di Tesla è un dispositivo costituito da un trasformatore che sfrutta l’induzione elettromagnetica ad alta frequenza per generare fulmini molto simili a quelli di origine atmosferica anche se di entità molto ridotte costruito per la prima volta da Nicola Tesla. È un tipo di trasformatore risonante che consiste in due circuiti elettrici accoppiati risonanti. Un trasformatore a bobina di Tesla opera in una maniera diversa da un trasformatore convenzionale, in cui il guadagno di tensione è limitato al rapporto dei numeri di giri delle spire. Diversamente, il guadagno di tensione di una bobina di Tesla può essere significativamente più grande. La bobina trasferisce energia da un circuito risonante che oscilla (il primario) all’altro (il secondario). Appena il primario trasferisce energia al secondario, la tensione di produzione secondaria aumenta finché tutta l’energia primaria disponibile è stata trasferita al secondario.

(nella foto: Nikola Tesla)

Esistono vari tipi di bobine di Tesla:

- Bobina di Tesla allo stato solido: questa tipologia di bobina è definita a “stato solido” poiché è controllata da un circuito elettrico senza parti in movimento e senza spinterometro. La frequenza di risonanza è generata direttamente da un circuito elettronico.
Bobine di Tesla a transistor usano la tensione di funzionamento primaria più bassa, tipicamente tra 175 a 800 volt e guida le spire primarie usando un ponte a metà o un circuito a ponte completo a transistor bipolari mosfet o per cambiare la corrente primaria.

- Bobina di Tesla Valvolare: per gli amanti del genere, questi tipi di bobine funzionano a valvole. Per ottenere scariche veramente interessanti e salire di potenza, è necessario trovare enormi valvole di tipo militare come le GU81M in qualche mercatino specializzato o in fiera dell’elettronica.
La particolarità delle bobine di Tesla a valvole è che funzionando ad alta frequenza, rendono le scariche innocue per via dell’effetto pelle, Le bobine alimentate da valvole termoioniche tipicamente operano con tensioni tra i 1500 e 6000 volt, mentre la maggior parte di bobine a spinterometro operano con tensioni primarie di 6 000 a 25 000 volt.

L’avvolgimento primario di un tradizionale bobina di Tesla a transistor avvolge solamente la parte più bassa del secondario (qualche volta chiamato risonante).

- Bobine di Tesla Spinterometriche: questo è il più comune, che sfrutta l’alta frequenza prodotta quando il condensatore, una volta carico si scarica sul primario trasferendo energia al secondario.

Lo scopo in qualsiasi caso è quello di generare sull’avvolgimento primario una frequenza risonante con il circuito secondario, che deve riceverne l’energia come una vera e propria antenna, trasformandola però a tensioni elevatissime diminuendo conseguentemente l’amperaggio.
Anche con perdite di scariche elettriche significative una bobina di Tesla ben progettata può trasferire oltre l’85% dell’energia immagazzinata inizialmente nel condensatore al circuito secondario. Le bobine più recenti consistono tipicamente in un circuito di accumulo primario che è un circuito composto da un condensatore di alta tensione, uno spinterometro, ed una bobina primaria; Ed il circuito secondario, un circuito in serie risonante che consiste della bobina secondaria ed il toroide.

Le prime bobine

Nel disegno originale di Tesla per la sua più grande bobina, usò un terminale superiore che consiste in una cornice metallica a forma di toroide, coperto con piastre lisce di metallo a semicerchio (costituendo una superficie conducente molto grande). Nel suo complesso più grande Tesla impiegò questo tipo di elemento sagomato all’interno di una cupola. Il terminale superiore aveva una capacità relativamente piccola, caricata con una tensione alta quanto possibile. La superficie esterna del terminale superiore è dove la carica elettrica si accumula. Nei piani originali di Tesla, il circuito LC secondario è composto da una bobina caricata messa poi in serie con una grande bobina elicoidale. La bobina elicoidale era connessa poi al toroide. La maggior parte di bobine moderne usa solamente un solo circuito secondario. Il toroide in effetti è un terminale di un condensatore, essendo l’altro terminale la messa a terra. Il circuito di LC primario è sintonizzato in modo da risonare alla stessa frequenza del circuito LC secondario. Le bobine primarie e secondarie sono accoppiate magneticamente, creando un trasformatore con nucleo ad aria risonante. Le prime Bobine di Tesla necessitavano di grandi isolamenti ai loro collegamenti per prevenire scariche in aria. Più recenti versioni di bobine di Tesla emettono campi elettrici a grandi distanze, permettendo perciò operazioni all’aria aperta.

Le bobine moderne

Le più moderne bobine di Tesla usano semplici toroidi, tipicamente costruiti da fili metallici o da tubi piegati di alluminio, per controllare l’elevato campo elettrico vicino alla sommità del secondario e indirizzare le scariche all’esterno, lontano dalle spire primarie e secondarie.La bobina di Tesla è famosa anche per la sua capacità di accendere i tubi fluorescenti a grande distanza senza collegamenti elettrici. Le moderne bobine di Tesla, basate su transistor o su tubi a vuoto, non usano uno spinterometro ma sfruttano delle oscillazioni ottenute direttamente da dei transistor o da delle valvole termoioniche. Il primario incita tensione alternata nella porzione più bassa del secondario, mentre offrendo “spinte” regolari (simile a spinte propriamente calcolate e previste in un’oscillazione di campo). Energia supplementare è trasferita dal primario all’induttanza secondaria e la capacità del terminale superiore durante ogni “spinta”, e la tensione di produzione secondaria costituisce produzione dell’anello superiore dell’apparato. Un circuito di reazione elettronico è di solito usato per sincronizzare l’oscillatore primario alla risonanza crescente nel secondario, e questa è l’unica considerazione di sintonia. Il circuito primario risonante è formato connettendo un condensatore in serie con la spira primaria della bobina, così che la combinazione forma un circuito di serie con una frequenza risonante vicina quella del circuito secondario. A causa del circuito risonante supplementare, sono necessarie rettifiche manuali e una di sintonia adattiva.

La bobina di Tesla da noi costruita
Abbiamo usato:

-UN GENERATORE DI ALTA TENSIONE
-UNA BOBINA PRIMARIA
-BOBINA SECONDARIA CON TOROIDE
-UN CONDENSATORE PER ALTE TENSIONI
-UNO SPINTEROMETRO

Questo è lo schema elettrico:

Generatore di alta tensione

Per costruire il generatore di alta tensione ho usato un trasformatore per insegne al neon, si tratta di un normalissimo trasformatore a due avvolgimenti con nucleo di ferro lamellare.

Caratteristiche:

-circuito primario: 230 V

-circuito secondario: 3500 V 35mA

Il trasformatore è una macchina elettrica statica (perché non contiene parti in movimento) reversibile, che serve per variare tensione e corrente, mantenendo costante la potenza.

Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell’elettromagnetismo legati ai flussi variabili di campo magnetico.

La tensione e l’intensità di corrente in uscita dipendono dal rapporto del numero delle spire del circuito secondario e primario, ecco un esempio:

Se nella prima bobina composta da 100 spire fossero presenti 10V e nella seconda 1000 spire la tensione presente è pari a 100V.

Quindi, maggiore è il rapporto del numero delle spire, maggiore sarà tensione che si avrà nella bobina secondaria.

Condensatore per alta tensione

Abbiamo usato una bottiglia di Leida che consiste tipicamente in un contenitore di vetro (per esempio una bottiglia) coperto da un rivestimento metallico all’esterno e all’interno si trova una soluzione salina che saranno le due armature.

In parallelo al generatore di alta tensione abbiamo collegato una bottiglia di Leida, che avendo una bassissima capacità elettrica ma un’elevata tensione di lavoro costituisce la forma più antica di condensatore.

La bottiglia di Leida fu utilizzata per condurre molti dei primi esperimenti sull’elettricità durante la seconda metà del XVIII secolo. Le bottiglie di Leida possiedono una capacità elettrica piuttosto bassa, che unita all’alta rigidità dielettrica e allo spessore del vetro, le rende ideali come condensatori per alta tensione.

Spinterometro

Si tratta semplicemente di due viti distanziate a testa arrotondata sostenute da due piastrine angolari.

Bobina secondaria

Costituita da del filo smaltato di sezione 1mm2 avvolto anch’esso su un tubo, un terminale è collegato al toroide posto in cima alla bobina, l’altro è collegato a terra.

Funzionamento:

La bottiglia di Leida è condensatore perfetto per la costruzione un oscillatore: Il condensatore viene caricato da alta tensione e accumula carica elettrica fino a quando non è sufficiente per superare la rigidità dielettrica dell’aria compresa tra gli elettrodi dello spinterometro pari a circa 3 KV/ mm. La funzione principale dell’oscillatore è quella di “eccitare” elettricamente la bobina primaria di impulsi ad alta frequenza, l’energia dalla bobina primaria viene trasferita alla bobina secondaria , si ottiene una tensione che dipende dal numero di spire del secondario e dalla frequenza , e se molto alta, causa la formazione di fulmini che partono dal toroide posto in cima alla bobina. Mentre si generano scariche, l’energia elettrica toroide è trasferita all’aria circostante. Le correnti elettriche che fluiscono attraverso queste scariche sono in verità causate dal cambiamento rapido di quantità di carica da un punto (il terminale superiore) ad altri punti (regioni vicine dell’aria). Il processo è simile ad una carica o scarica di un condensatore.

La corrente che si crea dallo scorrimento di cariche all’interno di un condensatore è chiamata corrente di spostamento. Le scariche di bobine di Tesla sono formate da un risultato di correnti di spostamento appena le pulsazioni di cariche elettriche sono trasferite rapidamente tra il toroide di alta tensione e regioni vicine dell’aria (chiamate regioni di carica spaziale). Anche se le regioni di carica spaziale attorno al toroide sono invisibili, hanno un ruolo fondamentale nell’aspetto e localizzazione delle scariche delle Bobina di Tesla. Quando lo spinterometro genera scintille, il condensatore carico si scarica nelle spire del primario, causando delle oscillazioni nel circuito primario. La corrente primaria oscillante crea un campo magnetico che si accoppia alle spire del secondario, trasferendo energia nella seconda da parte del trasformatore e facendolo oscillare con la capacità del toroide.

Il trasferimento di energia avviene in un certo numero di cicli, e la maggior parte dell’energia che era in origine nel primario è trasferita nel secondario. Più è grande l’accoppiamento magnetico tra le spire, più è breve il tempo richiesto per completare il trasferimento di energia. Come l’energia si forma all’interno del circuito secondario oscillante, e l’aria che circonda il toroide comincia a subire una rottura dielettrica, formando scariche.
La corrente indotta nella bobina secondaria a sua volta genera un campo elettromagnetico con frequenza accoppiata con il primario; questo può causare la ionizzazione dell’aria circostante: si può sperimentare questo fenomeno avvicinando un tubo fluorescente al toroide lo si vede accendere senza alcun collegamento elettrico.

Quando l’atomo di neon viene “eccitato” da un’alta frequenza uno o più elettroni passano su orbite più esterne dotate di livello energetico superiore dell’atomo. A questo punto gli elettroni instabili tendono a tornare nelle loro orbite originali liberando la stessa quantità di energia che avevano assorbito in precedenza sotto forma di luce.

Se le attuali bobine di Tesla sono usate soprattutto per produrre scariche disruptive (fulmini artificiali, archi elettrici), lo scopo per cui furono progettate fu quello di generare flussi di trasmissione energetica senza fili.

La bobina di Tesla anche se spettacolare, causa la propagazione di onde elettromagnetiche ad alta frequenza che possono essere molto pericolose, in caso di un’ esposizione prolungata (di molti anni) con queste radiazioni possono causare arresti cardiaci e anche tumori. Per questo si è discusso su come rendere il nostro esperimento più sicuro e pensavamo di usare una gabbia di faraday collegata a terra che evita la fuoriuscita di onde elettromagnetiche rendendo la bobina di tesla sicura al 100%.